Schneller als ein Wimpernschlag
Highspeed-Mikroskopie für Hochdurchsatz-Qualitätskontrolle
Die 100%-Qualitätskontrolle bei Mikrobauteilen stellt Produktionsbetriebe vor große Herausforderungen. Daher hat das Fraunhofer IPT ein Highspeed-Mikroskop entwickelt, das beliebige Bauteile mit hoher Auflösung bis zu 32x schneller als vergleichbare Messsysteme aufnimmt. Die individualisierbare Bildauswertung ermöglicht eine vollständige Automatisierung und Integration in Produktionsprozesse.
Bild: Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie

„Je schneller, desto besser“ ist ein Motto, das universell über alle Industrien hinweg angewandt wird. Und auch wenn dabei die Gründlichkeit nicht zu kurz kommen darf, ist die Geschwindigkeit tatsächlich das A und O bei vielen Prozessen. Dies gilt auch bei der optischen Qualitätskontrolle. Selbst im Jahr 2022 wird diese immer noch vielfach manuell durchgeführt. Bei steigender Stückzahl wird das jedoch zur Sisyphus-Aufgabe. Neben der großen Fehleranfälligkeit verschlingt die manuelle Kontrolle sehr viel Arbeitszeit. Hinzu kommt, dass viele Bauteile schlicht weg viel zu klein sind, um sie mit dem bloßen Auge untersuchen zu können. Daher ist eine automatisierte Lösung unabdingbar.

Highspeed-Mikroskop (HSM) mit intelligentem Autofokus

Eine solche Lösung bietet der Highspeed-Mikroskopie-Ansatz des Fraunhofer IPT. Auf dem Markt erhältliche Mikroskope scannen die Proben im Stop&Go-Verfahren ab, bei dem sie für jede Position anhalten, den Fokus nachregeln, ein Bild aufnehmen und daraufhin weiterfahren. Im Gegensatz dazu nimmt das HSM die Proben während der Bewegung auf und erzielt somit einen signifikanten Geschwindigkeitsvorteil, weil kein häufiges Beschleunigen und Abbremsen erforderlich ist. Die Technik wurde erst durch ein optimiertes Autofokus-Verfahren realisierbar, welches trotz der geringen Tiefenschärfe des Mikroskops immer scharfe Aufnahmen ermöglicht. Hierzu wurde ein Hardware-Autofokussystem entwickelt, das in der Lage ist, die Z-Position der Probenoberfläche mittels konfokalchromatischen Sensoren hochpräzise zu ermitteln und so den Fokuspunkt vorab zu bestimmen. Bei der anschließenden Bildaufnahme wird die Fokuslage über hochdynamische Piezoachsen nachgeführt. Mit dieser Technik ist es ebenfalls möglich, vor der Bildaufnahme von der gesamten Probe ein Höhenprofil zu erstellen sowie Schichtdicken zu messen.

Eine weitere Herausforderung für die HSM-Technologie stellt die schnelle Bewegung relativ zum Kamerasensor dar. Um Bewegungsunschärfe vorzubeugen, muss die Relativbewegung zwischen Kamera und Probe während der Belichtungszeit deutlich weniger als ein Pixel betragen. Bei üblichen Werten einer Pixelgröße von 3µm, einer Vergrößerung von zehn und einer Tischgeschwindigkeit von 120mm/s ergibt sich so eine Belichtungszeit von unter 2,5µs. Um während dieser kurzen Zeit den Sensor ausreichend zu belichten, wird eine Blitzlichtquelle mit sehr hoher Beleuchtungsstärke und hochpräziser Triggerung verwendet. Als Resultat daraus erreicht das HSM bei zehnfacher Vergrößerung Bildaufnahmeraten von 150cm² pro Minute, was bis zu 32x schneller als herkömmliche Verfahren ist. Bild 2 zeigt das Objektiv und den konfokalchromatischen Sensor des HSM bei der Aufnahme eines Wafers.

Automatisierte Auswertung

Die Basis des Aufbaus bildet ein gewöhnliches Mikroskop, welches durch leistungsfähige Komponenten zu Highspeed-Aufnahmen befähigt wird, d.h. es können auch bestehende Systeme kosteneffizient erweitert werden. Herzstück der Anlage ist jedoch die Software, welche die Koordination der Einzelteile vornimmt und die Triggerung der Kamera sowie des Blitzlichts steuert. Darüber hinaus muss der Datenstrom von bis zu 100fps bei über 5MP bewältigt werden. Jedes Bild wird dabei direkt durch Schattierungskorrektur und Histogramm-Normalisierung vorverarbeitet, bevor nach Ende der Aufnahme alle Einzelbilder zu einem Gesamtbild zusammengefügt werden. Doch mit der Bildaufnahme ist der Prozess nicht beendet. Eine integrierte Bildauswertung erkennt je nach Anwendungsfall gewünschte Merkmale und kann so eine Inline-Qualitätskontrolle gewährleisten. Hierbei kommen sowolh klassische Mustererkennungen als auch Deep-Learning-Algorithmen zum Einsatz.

Anwendungen

Im industriellen Kontext kommt das HSM vor allem in der 100%-Qualitätskontrolle von waferbasierten und elektronischen Mikrobauteilen zum Einsatz. Hierbei wird zunächst eine gesamte Probe, wie z.B. ein Wafer oder Printed Circuit Board, vollständig mikroskopiert. Die softwarebasierte Auswertung inspiziert daraufhin jedes Einzelteil auf Produktionsfehler und klassifiziert dieses anhand festgelegter Kriterien. Neben der Industrieanwendung kommen die Geräte auch bei der Stammzellforschung zum Einsatz, wofür KI-basierte Auswertealgorithmen entwickelt wurden. Durch Individualisierung der Software ist eine Vielzahl von Anwendungen möglich, bei denen gängige Mikroskopie-Verfahren wie Auflicht, Durchlicht, Phasenkontrast, Fluoreszenz oder Polarisation zum Einsatz kommen. Dennoch wird bereits an weiteren Verfahren geforscht, um neue Anwendungsfelder zu erschließen, immer mit dem Ziel der unbetroffenen Geschwindigkeit.

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie

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